Реферати українською » Физика » Магнітні наносистеми


Реферат Магнітні наносистеми

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Зміст

Запровадження

1. Предмет, цілі й основних напрямів в нанотехнології

2.Сканирующаятуннельная мікроскопія
3. Наноматеріали

3.1 Фуллерени

3.2Фуллерити

3.3Углеродние нанотрубки

3.4Сверхпрочние матеріали

3.5Високопроводящие матеріали

4.Нанокластери

4.1 Формуваннянанокластерной системи оксидів заліза.Термодинамическая модель зародження і зростання кластерів

4.2 Магнітні властивостінаносистеми оксидів заліза

5.Наноустройства

5.1 Молекулярні шестерні і насоси

5.2 Діамантова пам'ять для комп'ютерів

5.3Ассемблери ідизассемблери

5.4 Медичний наноробот

Укладання

Список використаної літератури


Запровадження

Розвиток цивілізації нерозривно пов'язане з удосконаленням технологій отримання й використання матеріалів. У цьому шляху було кілька якісних стрибків: бронза, сталь, полімери, композити... Сьогодні настав наступний етап у сфері матеріалознавства, обумовлений накопиченням знань про визначального впливу наноструктури на властивості матеріалів.

Передматериаловедениемнаносистем стоїть ціле пасмо науково-технічних проблем, вирішення яких має спрямувати як на вивчення масштабного чинника (зменшення величини частинок, елементів чи структур), а й у дослідження принципово нових явищ, властивихнаномасштабу.

Розвиток технологій, пов'язаних з дослідженням, плеканням якого і використанням наноматеріалів, найближчими роками призведе до кардинальних змін у багатьох сферах людської діяльності – в електроніці, інформатики, матеріалознавстві, енергетиці, машинобудуванні, біології, медицині, сільське господарство, екології.

Нанотехнології розглядаються провідними країнами як важіль на придбання світового економічного, фінансового, політичного й військової панування. Він дотримувався думки розглядають державну підтримку розвитку нанотехнологій як найефективніший спосіб підйому свого промислового виробництва та входження до світовий ринок із конкурентоспроможної продукцією широко він. Загальний інтерес до розвитку нанотехнологій підтверджується прийняттям завдовжки тридцять п'ять країнах національних програм в розвитку цього перспективного науково-технічного напрями, і навіть обсягами виділених бюджетних коштів. За даними звіту "Lux Research" (2004), у світі розвиток нанотехнологій лише з лінії урядів 2003 року виділили 3,5 млрд дол., а 2004 року – вже 4,6 мільярда. У тому числі по 1,6 млрд дол. (по 35 %) виділено урядами навіть азіатських країн, ще 1,3 млрд дол. – країнами ЄС [5].

Основним об'єктом досліджень, у цих країнах є ціле пасмо наноматеріалів конструкційного і функціонального класів, наноматеріалів електронної техніки, біотехнології та східної медицини тощо.

Наприклад, США пріоритетними напрямками розвитку наноматеріалів у межах Національної програми ">Нанотехнологическая ініціатива" єнанокатализатори, тонка конструкційна кераміка,високопрочние сплави, магнітнінаносистеми, матеріали з "особливимиелектрофизическими властивостями,наноструктурированние покриття і вуглецеві наноматеріали. У країнах ЄС (Німеччина, Великобританія, Італія, Швеція, Швейцарія) –нанокатализатори, полімерні іметаллополимерниенанокомпозити, жароміцні сплави, сплависверхбистрого затвердіння. У Японії – конструкційна тонка кераміка,нанокомпозити, вуглецеві і магнітні наноматеріали.

До науковим і прикладним розробкам у сфері нанотехнологій буде підключено всі провідні університети світу. Останніми роками створено понад 1600нанотехнологических компаній, і наукових центрів, і кількість їх подвоюється кожні 1,5–2 року [5].

Аналіз пріоритетних напрямів розвитку нанотехнологій і наноматеріалів до показує наявність певної диспропорції у пріоритетних напрямках розвиткунанопроизводства на шкоду фундаментальним дослідженням, вдосконаленню приладовій бази й метрологічного забезпечення, створенню наноматеріалів. Розпочатий у Росії етапнанопроизводства нині не забезпечений, по-перше, достатній рівень грунтовних знань про властивості наноматеріалів інаносистем, і навіть управлінні механізмами їх отримання, і, по-друге, технологічної та вимірювальної базою. Усунення цієї диспропорції і подолання прогресуючого відставання Росії у області наноматеріалів можливо передусім з допомогою початку скоординованої державній валютній політиці в цьому плані і шляхом створення спеціалізованих наукових центрів, здатних використовувати наявні науковий і значний заділ, наявний у сфері наноматеріалів. Реальна база на вирішення таких завдань – Північно-Західний регіон РФ, де зосереджений унікальний творчий потенціал державних центрів, інститутів РАН і провідних університетів.

21 травня 2006 року Росії затвердив "Пріоритетні напрями розвитку науки, технологій і техніки РФ", до яких належить і "Індустріянаносистем і матеріалів". У цього напрями реалізується відразу кількох критично важливих технологій, зокрема:

· нанотехнології і наноматеріали;

· технології водневої енергетики;

· технологія створення і методи обробки кристалічних матеріалів зі спеціальними властивостями;

· технології створення композиційних і керамічних матеріалів;

· технології створеннябиосовместимих матеріалів;

· технології екологічно безпечної розробки родовищ і видобуток корисних ресурсів;

· технології протидії тероризму;

· базові і критичні військові, спеціальні і промислові технології;

· технології атомної енергетики з замкнутим паливною циклом [5].

Промислове освоєння конструкційних і функціональних матеріалів з урахуванням наноматеріалів і нанотехнологій створить реальний економічний ефект з допомогою створення нових конкурентоспроможних виробів на реальному реальному секторі економіки і цих виробів на вітчизняний і світова ринки. Якісно нові експлуатаційні і споживчі властивості цих матеріалів дозволяють досягти збільшення безаварійного терміну служби деталей і пристроїв, скорочення витрат зміну виведеного з ладу устаткування й зменшення термінів простою устаткування, розширення області застосування наноматеріалів. Особливої ефекту можна очікувати під час створення нових видів над озброєннями й спеціальної техніки.

Майбутнє функціональних і конструкційних наноматеріалів – це реально і перспективне. Але важливо вже нині розпочати ефективно реалізовувати ж ті заділи, інакше завтра це зроблять інші.


1. Предмет, цілі й основних напрямів в нанотехнології

Відповідно доЭнциклопедическому словника, технологією називається сукупність методів обробки, виготовлення, зміни стану, властивостей, форми сировини, матеріалу чи напівфабрикату, здійснюваних у процесі виробництва.

Особливість нанотехнології у тому, що аналізовані процеси та які скоювалися дії відбуваються унанометровом діапазоні просторових розмірів. "Сировиною" є окремі атоми, молекули, молекулярні системи, а чи не звичні у традиційній технології мікронні чи макроскопічні обсяги матеріалу, містять, по крайнього заходу, мільярди атомів і молекул. На відміну від традиційної технології для нанотехнології характерний "індивідуальний" підхід, у якому зовнішнє управління сягає окремих атомів і молекул, що дозволяє створювати їх як ">бездефектние" матеріали з принципово новими фізико-хімічними і біологічними властивостями, і нові класи пристроїв із наступними характерниминанометровими розмірами. Поняття "нанотехнологія" ще усталене. Очевидно, можна дотримуватися наступного визначення.

>Нанотехнологией називається міждисциплінарна область науки, у якій вивчаються закономірності фізико-хімічних процесів в просторових областях нанометрових розмірів із управління окремими атомами, молекулами, молекулярними системами під час створення нових молекул, наноструктур,наноустроиств і матеріалів зі спеціальними фізичними, хімічними і біологічними властивостями.

Аналіз поточного стану бурхливо що розвивається області дає можливість окреслити у ній низку надзвичайно важливих напрямів [1]:

·           Молекулярний дизайн. Препарування наявних молекул і синтез нових молекул дуже неоднорідних електромагнітних полях.

·           Матеріалознавство. Створення "бездефектних" високоміцних матеріалів, матеріалів із високим провідністю.

·           >Приборостроение. Створення скануючих тунельних мікроскопів,атомно-силових мікроскопів, магнітних силових мікроскопів,многоострийних систем для молекулярного дизайну, мініатюрних надчутливих датчиків,нанороботов.

·           Електроніка. Конструюваннянанометровой елементної бази щодо ЕОМ нового покоління ще,нанопроводов, транзисторів,випрямителей, дисплеїв, акустичних систем.

·           >Оптика. Створеннянанолазеров. Синтезмногоострийних систем знанолазерами.

·           >Гетерогенний каталіз. Розробка каталізаторів знаноструктурами для класів реакцій селективного каталізу.

·           Медицина. Проектуваннянаноинструментария знищення вірусів, локального "ремонту" органів, високоточної доставки доз ліків у певні місця живого організму.

·           >Трибология. Визначення зв'язку наноструктури матеріалів й снаги тертя і цих знань виготовлення перспективних пар тертя.

·           Керовані ядерні реакції.Наноускорители частинок,нестатистические ядерні реакції.


2.Сканирующаятуннельная мікроскопія

Значну роль нестримному дослідженні наносвіту зіграли, по крайнього заходу, дві події [1]:

- створеннясканирующего тунельного мікроскопа (G.Ben-nig, G.Rohrer, 1982 р.) ісканирующего атомно-силового мікроскопа (G.Bennig, До.Kuatt, До.Gerber, 1986 р.), (Нобелівську премію 1992 р.);

- відкриття нова форма існування вуглецю у природі - фулеренів (М.Kroto,J. Health, P.S.O'Brien, R.Curl, R.Smal-ley, 1985r.), (Нобелівську премію 1996 р.).

Нові мікроскопи дозволили спостерігатиатомно-молекулярную структуру поверхні монокристалів внанометровом діапазоні розмірів. Найкращий просторова роздільність приладів становить соту часткунанометра по нормальний до. Діясканирующего тунельного мікроскопа грунтується на тунелюванні електронів через вакуумний бар'єр. Висока що дозволяє здатність зумовлена тим, що тунельний струм змінюється втричі порядку за зміни ширини бар'єра на розміри атома. Теорія квантового ефекту тунелювання закладено Г.А.Гамовим в 1928 р. на роботах поa-распаду [1].

З допомогою різних скануючих мікроскопів нині спостерігають за атомної структурою поверхонь монокристалів металів, напівпровідників, високотемпературних надпровідників, органічних молекул, біологічних об'єктів. На рис. 1 показано реконструйована поверхню нижньої тераси межі (100) монокристала кремнію. Сірі гуртки є образами атомів кремнію. Темні ділянки є локальниминанометровими дефектами.


>Рис. 1. Si (100)

На рис. 2 приведено атомна структура чистої поверхні межі (110) срібла (ліва рамка) й тієї поверхні, покритою атомами кисню (права рамка). Виявилося, що кисеньадсорбируется не хаотично, а утворює досить довгі ланцюжка вздовж певногокристаллографического напрями. Наявність здвоєних і одинарних ланцюжків свідчить про перші два формах кисню.

>Рис. 2: а -Ag (100); b - (>Ag-O-Ag) />Ag(110)

Ці форми відіграють істотне значення в селективному окислюванні вуглеводнів, наприклад етилену. На рис. 3 можна побачитинаноструктуру високотемпературного надпровідникаBi2>Sr2>CaCu2>O2.


>Рис. 3.Bi2>Sr2>CaCu2>O2

У лівої рамці рис. 4 чітко видно кільця молекул бензолу (З6М6). У правої рамці показані СП2 -ланцюжка поліетилену.

>Рис. 4: а - З6М6; b - СП2-СП2

Нові мікроскопи корисні як щодоатомно-молекулярной структури речовини. Вони були придатними для конструювання наноструктур. З допомогою певних рухів вістрям мікроскопа вдається створювати атомні структури. На рис, 5 представлені етапи створення написи "IBM" із окремих атомів ксенону за межею (110) монокристала нікелю. Руху шпичаки під час створення наноструктур із окремих атомів нагадують прийоми хокеїста при просуванні шайби ключкою. Становить інтерес створення комп'ютерних алгоритмів, які визначають нетривіальну зв'язок між рухами шпичаки та переміщеннямиманипулируемих атомів з урахуванням відповідних математичних моделей. Моделі і алгоритми необхідні розробки автоматичних "складальників"наноконструкций [7].

>Рис. 5.Xe/Ni (110)

3. Наноматеріали

 

3.1 Фуллерени

Фуллерени як нову форму існування вуглецю у природі поруч із давно відомими алмазом і графітом, відкрили 1985 р. за будь-яких спроб астрофізиків пояснити спектри міжзоряному пилу. Виявилося, що атоми вуглецю спроможні створитивисокосимметричную молекулу З60. Така молекула складається з 60 атомів вуглецю, розташованих на сфері зі діаметром приблизно одному нанометру і нагадує футбол. Відповідно до теоремою Л.Эйлера, атоми вуглецю утворюють 12 правильних п'ятикутників і 20 правильних шестикутників. Молекула названа на вшанування архітектора Р. Фуллера, побудував будинок із п'ятикутників і шестикутників. Спочатку З60 отримували у невеликих кількостях, та був, в 1990 р., було відкрито технологія їх великомасштабного виробництва [7].

 

3.2Фуллерити

Молекули З60 , своєю чергою, спроможні створити кристалфуллерит згранецентрированной кубічної гратами і слабкимимежмолекулярними зв'язками. У цьому вся кристалі єоктаедрические ітетраедрические порожнини, у яких можуть бути сторонні атоми. Якщооктаедрические порожнини заповнені іонами лужних металів (До (калій),Rb (рубідій),Cs (цезій)), то, при температурах нижче кімнатної структура цих речовин перебудовується й утворюється новий полімерний матеріал ¦>1С60. Якщо заповнити ще йтетраедрические порожнини, то утворюється надпровідний матеріал ¦>зС60 з критичної температурою 20-40 До. Вивчення надпровіднихфуллеритов проводиться, зокрема, сьогодні в Інституті їм. Макса Планка в Штутгарті. Існуютьфуллерити і коїться з іншими присадками, дають матеріалу унікальні властивості. Наприклад,С60-етилен має феромагнітні властивості. Висока активність у новій області хімії призвела до того, що до 1997 р. перевищувала 9000фуллеренових сполук.

3.3Углеродние нанотрубки

З вуглецю можна було одержати молекули з гігантським числом атомів. Така молекула, наприкладС=1000000, може бутиоднослойную трубку з діаметром близьконанометра і кілька десятків мікрон (рис. 7).

>Рис. 7.Нехиральние нанотрубки.

На поверхні трубки атоми вуглецю перебувають у вершинах правильних шестикутників. Кінці трубки закрили б з допомогою шести правильних п'ятикутників. Слід зазначити роль числа сторін правильнихмногоугольников у формуванні двомірних поверхонь, які з атомів вуглецю, в тривимірному просторі. Правильні шестикутники є осередком в пласкомуграфитовом аркуші, що можна звернути в трубки різноїхиральности (>m, n)3 . Правильні п'ятикутники (>семиугольники) є локальними дефектами вграфитовом аркуші, що дозволяє отримати її позитивну (негативну) кривизну.

Отже, комбінації правильних п'яти-, шести- ісемиугольников дають змогу одержувати розмаїття різноманітних форм вуглецевих поверхонь в тривимірному просторі (рис. 8).

>Рис. 8.Изогнутая трубка.

Геометрія цихнаноконструкций визначає їх унікальні фізичні і хімічні властивості і, отже, можливість існування принципово нових матеріалів і технологій їх виробництва.Предсказание фізико-хімічних властивостей нових вуглецевих матеріалів здійснюється виключно як з допомогою квантових моделей, і розрахунків у рамках молекулярної динаміки. Поруч ізоднослойними трубками є можливість створювати й багатошарові трубки. Для виробництва нанотрубок використовуються спеціальнікатализатори[1].

 

3.4Сверхпрочние матеріали

Зв'язки між атомами вуглецю вграфитовом аркуші є найсильнішими серед відомих, томубездефектние вуглецеві трубки на два порядку міцніше сталі та приблизно в чотири рази легше її! Одне з найважливіших завдань технології у сфері нових вуглецевих матеріалів полягає у створенні нанотрубок "безкінечною" довжини. З таких трубок можна виготовляти легкі композитні матеріали граничною міцності потреб техніки нової доби. Це силові елементи мостів і будівель, які мають конструкції компактних літальних апаратів, елементи турбін, силові блоки двигунів з гранично малою питомою споживанням палива й т.п. Нині навчилися виготовляти трубки у десятки мікрон при діаметрі порядку одногонанометра.

 

3.5Високопроводящие матеріали

Відомо, що у кристалічному графіті провідність вздовж площині шару найвища серед відомих матеріалів і, навпаки, у бік, перпендикулярному аркушу, мала. Тому очікується, що електричні кабелі, виготовлені з нанотрубок, при кімнатної температурі матимуть електропровідність на два порядки вищі, ніж мідні кабелі. Річ за технологією, що дозволяє виробляти трубки достатньої довжини й у достатньомуколичестве[7].

 


4.Нанокластери

До сили-силенноїнанообъектов ставлятьсясверхмалие частки, які з десятків, сотень чи тисяч атомів. Властивості кластерів кардинально від властивостей макроскопічних обсягів матеріалів тієї самої складу. Знанокластеров, що з великих будівельних блоків, можна цілеспрямовано конструювати нові матеріали із наперед заданими властивостями і використовувати в каталітичних реакціях, потреби ділити газових сумішей і збереження газів. Однією з прикладів єZn4>O(BDC)3(>DMF)86H5>Cl)4. Великий інтерес викликають магнітні кластери, які з атомів перехідних металів,лантиноидов,актиноидов. Ці кластери мають власним магнітним моментом, що дозволяє управляти їх властивостями з допомогою зовнішнього магнітного поля. Прикладом євисокоспиноваяметаллоорганическая молекулаMn12>O12(>CH3>COO)16(H2>O)4 [2]. Ця вишукана конструкція складається з чотирьох іонівМn4+ зі спіном 3/2, розміщених у вершинах тетраедра, восьми іонівМn3+ зі спіном 2, оточуючих цейтетраедр. Взаємодія між іонами марганцю здійснюється іонами

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація